1、重庆地区农村建筑热工性能现状与节能 潜力分析 丁勇 沈舒伟 谢源源 史丽莎 黎蓉 重庆大学绿色建筑与人居环境营造教育部国际合作 联合实验室 重庆大学国家级低碳绿色建筑国际联合 研究中心 摘 要： 为了解目前重庆地区农村建筑的节能发展现状, 采用问卷调查结合现场访谈的 形式对重庆地区农村建筑围护结构热工性能现状进行了调研, 结果表明, 重庆 地区农村建筑热工性能整体较差, 外窗与外墙达不到标准要求, 外遮阳应用很 少, 且主要集中在南向。选取重庆地区农村建筑某典型设计方案, 利用 DesignBuilder软件模拟了建筑全年供热供冷能耗, 就农村建筑热工性能的优 化进行了节能潜力与经济性分析,
2、建议重庆地区农村建筑外窗采用双层中空玻 璃加塑钢窗框, 外墙采用外保温, 建筑采用外遮阳设计, 并推荐南向选用水平 遮阳。 关键词： 农村建筑; 围护结构; 热工性能; 调研; 能耗模拟; 经济性分析; 作者简介：丁勇, 男, 1975年9月生, 博士, 教授400045重庆大学城市建设与 环境工程学院 (023) 66820522E-mail: 基金： 国家科技支撑计划项目子课题“夏热冬冷地区能源自维持住宅示范工程建 模、测试及技术集成” (编号:2013BAL01B03-6) Thermal performance and energy-saving potential of rural
3、buildings in Chongqing Ding Yong Shen Shuwei Xie Yuanyuan Shi Lisha Li Rong Joint International Research Laboratory of Green Building and Built Environment, Ministry of Education, Chongqing University; Abstract： In order to understand the current energy-saving development of rural buildings in Chong
4、qing, investigates the thermal performance of rural building envelope in Chongqing by questionnaire survey and on-site interview.The results show that the overall thermal performance of rural buildings in Chongqing is poor, the outer windows and exterior walls can not meet the standard requirements,
5、 and the application of external shading is rare and mainly concentrated in south orientation.Selecting a typical design scheme of rural buildings in Chongqing, simulates the annual heating and cooling energy consumption of the building by DesignBuilder software, and analyses the energy-saving poten
6、tial and economy of thermal performance optimization of the rural building.Recommends that double-layer hollow glass and plastic-steel window frame should be used for the outer windows of rural buildings in Chongqing, the exterior wall should adopt external insulation measures, the external shading
7、should be adopted and the horizontal shading should be selected in south orientation. Keyword： rural building; envelope; thermal performance; investigation; energy consumption simulation; economic analysis; 0 引言 随着经济的快速发展, 我国建筑能耗增长迅速, 2013年建筑运行总能耗达到了 7.56亿 t标准煤, 占全国总能耗的19.5%1, 节能问题越来越受到人们重视。 但人们对节能的
8、研究主要针对城市建筑, 针对农村建筑的节能研究相对较少。 目 前我国农村地区共有房屋建筑面积约 278亿 m, 其中90%以上是居住建筑, 约占 全国房屋建筑面积的 65%2。随着生活水平的提高, 供暖空调设备在农村也逐渐得到使用, 这必然导致用于改善居民室内热湿环境的能耗增加。 因此, 农村建 筑的节能问题在当今社会已不容忽视, 亟待研究。 由于经济条件的局限, 重庆地区农村建筑的居住环境在20世纪90年代以前基本 是被忽略的, 其建筑设计缺乏相应的标准规范指导。 为探寻目前重庆地区农村建 筑的节能发展现状, 本文采用问卷调查结合现场访谈的形式对重庆地区农村建 筑围护结构热工性能现状进行调研
9、, 再利用 DesignBuilder软件对建筑进行全 年供热供冷能耗模拟, 就农村建筑热工性能的优化进行节能潜力与经济性分析, 以期为农村新建居住建筑的设计提供理论指导, 使农村建筑既能满足经济可行 性要求, 又能达到节能的目的。 1 调研现状与分析 1.1 调研对象及方法 2012年, 重庆地区新建巴渝民居已达到19.8万户, 为了相对全面地获取重庆地 区农村居住建筑的基本信息与特征, 选取当地有新农村典型民居以及农村居民 自建住宅的村庄作为调研对象。 在 2014年8 月与2015年1月下旬, 采用问卷调 查结合现场访谈的形式对重庆市涪陵区新妙镇适园村、 行政村与潼南区太安镇罐 坝村、
10、鱼溅村等村庄展开了调研, 共完成建筑调研样本总数 125户, 有效样本数 122户, 有效率达98%, 可以保证调研的正确性和可靠性, 其中53户建筑是重庆 新农村典型民居建筑, 其余69 户建筑是由居民自己修建。通过调研了解农村建 筑的基本特征以及围护结构常见构造形式, 包括外墙、 屋顶、 窗户、 外遮阳情况, 查询相关资料, 结合理论计算进一步得出围护结构的热工性能指标, 并将典型 构造形式与现行标准规范中的相关要求作对比分析, 确定其热工性能现状和节 能潜力。 1.2 农村建筑热工性能现状 1.2.1 建筑外墙 所调研的新农村典型民居建筑和 87%的居民自建建筑的结构形式均为砖混结构。
11、由于施工简便、耐久性好、造价低廉、就地取材等优点, 砖混结构是重庆农村地 区最常见的建筑形式。 调研发现, 这些砖混结构的建筑外墙主体材料均为烧结黏土砖, 典型构造为 20mm水泥砂浆+240mm 烧结黏土砖+20mm水泥砂浆, 都没有采取保温隔热措施。 相关材料的热工性能参数如表 1所示。 表1 外墙典型构造热工性能参数 下载原表 非透光围护结构的传热系数按下式计算: 式中K 为围护结构的传热系数, W/ (mK) ;n为围护结构内表面传热系数, 取 8.7 W/ (mK) ;w为围护结构外表面传热系数, 取23 W/ (mK) ; 为围护 结构各层材料厚度, m;为材料导热系数修正系数;为
12、围护结构各层材料的 导热系数, W/ (mK) 。 根据传热学原理与公式, 计算可得该构造下建筑外墙的传热系数为 2.03 W/ (mK) , 热惰性指标为 3.61。 1.2.2 建筑外窗 通过调研发现:重庆地区新农村建筑窗户的窗框材料主要为普通铝合金和塑钢, 其中传热系数较大的普通铝合金应用最为广泛, 节能的窗框形式如断热铝合金、 塑钢应用很少, 且全部是单层玻璃的形式, 不仅保温隔热性能差, 而且夏季会 造成大量的太阳直射辐射进入室内;而自建建筑的窗户形式主要为木窗框+6mm 单层玻璃, 并且超过 70%的农户采用了对太阳光有一定吸收效果的有色玻璃 (蓝色和绿色玻璃的遮阳系数 Sc约为0
13、.6) 。农村建筑窗框和玻璃形式如图 1, 2 所示。 本文中窗户的热工性能参数采用美国劳伦斯伯克利国家实验室 (LBNL) 开发 的window7.4 窗户热工性能计算软件, 并结合相关窗户热工计算标准 ISO 10077-1 进行计算。 计算得到新农村建筑中最常见的铝合金窗框+6mm单层蓝色玻璃形式的外窗传热 系数约为6.4 W/ (mK) , 综合遮阳系数为 0.6;而自建建筑典型的木窗框+6 mm 单层蓝色玻璃形式的外窗传热系数约为 4.7 W/ (mK) , 综合遮阳系数为 0.6。 图1 农村建筑窗框形式 下载原图 图2 农村建筑窗户玻璃形式 下载原图 1.2.3 建筑屋面 通过调
14、研并查阅重庆市巴渝新农村民居通用图集 (2010年版) 发现, 重庆 地区新农村建筑屋面的主要结构形式为 20mm 水泥砂浆+25mm挤塑聚苯乙烯泡沫 +180mm钢筋混凝土+20 mm水泥砂浆。根据上述的传热学原理与公式, 计算得到典型构造的屋面传热系数为 0.94 W/ (mK) , 热惰性指标为2.81。新农村建筑 屋面热工性能参数如表 2所示。 表2 新农村建筑屋面热工性能参数 下载原表 在所调研的农村自建建筑中, 65%的建筑屋面结构形式为钢筋混凝土平屋面, 其 构造为20 mm水泥砂浆+180mm钢筋混凝土+20mm水泥砂浆, 没有采取保温隔热措 施, 计算得到其传热系数为 3.1
15、4 W/ (mK) , 热惰性指标为2.32。自建建筑屋 面热工性能参数如表 3所示。此外, 有20%的建筑屋顶加装了由政府资助的钢结 构琉璃瓦顶棚 (相当于架空空气层) , 13%的建筑采用了蓄水屋面, 其余建筑均 使用种植屋面, 但缺乏合理管理, 实际效果也大打折扣。 表3 自建建筑屋面热工性能参数 下载原表 1.2.4 建筑外遮阳 外遮阳是建筑节能的有效途径, 国内多位专家学者建议在南方地区使用3。根 据调研发现, 重庆地区新农村建筑无外遮阳, 并且自建建筑中只有 12%的建筑 在南向设置了固定水平遮阳板, 挑出长度一般为 300mm, 外遮阳系数为 0.86, 东西向则无外遮阳设施,
16、造成夏季大量的太阳辐射热直接进入室内, 导致建筑 的制冷能耗增大。 1.3 现状分析 重庆地区农村建筑围护结构热工性能对比见表 4。通过表4可以发现, 在重庆地 区, 新农村建筑的屋面热工性能满足 GB/T 508242013农村居住建筑节能设 计标准 的要求, 但在外墙与外窗方面, 无论是新农村建筑还是自建建筑, 其热 工性能都不满足GB/T 508242013农村居住建筑节能设计标准和 JGJ 1342010夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准的限值要求, 此外, 农村建 筑外遮阳应用很少, 且主要集中在南向。 由于建筑外墙与外窗的保温隔热水平以 及是否设置建筑外遮阳, 在很大程度上会影响建筑
17、的能耗水平及室内热湿环境 状况, 但经济成本的增量问题又是农村建筑不可忽视的部分, 所以提升农村建 筑外墙与外窗的热工性能及优化设置建筑外遮阳时, 需要综合考虑节能与经济 性。 表4 重庆地区农村建筑围护结构热工性能对比情况 下载原表 2 节能与经济性分析 2.1 分析方法 选取重庆地区村镇农宅建设普遍采用的重庆市巴渝新农村民居通用图集 (2010年版) 中的12#农村建筑方案, 用建筑能耗分析软件 DesignBuilder 进行 供热供冷能耗模拟分析。 模拟方案为变参数法, 即在选定参照模型基础上, 通过 改变参数设置, 包括外墙热工性能参数、外窗热工性能参数、建筑外遮阳设计、 屋顶保温设
18、计, 并保持其余参数不变, 模拟出采用此项节能措施后的全年建筑 能耗。 然后结合不同节能措施可能造成的增量成本, 分析技术经济性能, 综合比 较重庆地区农村建筑热工性能优化的节能与经济性。其中工程价格依据 CQJZDE2008重庆市建筑工程计价定额、CQFYDE2008重庆市建设工程费 用定额以及相关配套定额和现行工程造价文件规定, 而人工、材料、机械价格 主要按重庆工程造价信息2016年第7期公布的价格执行, 如重庆市工程 造价信息中没有相关规定, 则按市场询价执行。 2.1.1 模型介绍 选取的模型建筑总面积为 348 m, 地上共2 层, 每层层高为3.0m, 包含左右 2 户。1层主要
19、功能房间包括堂屋、老人房、厨房、储藏室、工具室、猪舍、厕所;2 层主要功能房间包括客厅、卧室、厕所。平面布局如图 3, 4所示。 2.1.2 模拟参数 根据相关规定4, 基准模型的夏季空调室内设计温度为 26, 能效比为 2.3; 冬季供暖室内设计温度为 18, 能效比为1.9;过渡季节自然通风;围护结构模 拟参数根据调研得到的新农村建筑参数设置。 2.2 外墙热工性能优化 根据现在的常用做法, 夏热冬冷地区住宅墙体保温隔热选取外保温形式5, 采 用膨胀聚苯板、挤塑聚苯板、岩棉板等保温材料。综合比较市场价格与保温效果 后, 重庆地区农村建筑外墙热工性能进行优化时, 外墙选用膨胀聚苯板外保温,
20、其具体构造如表5所示, 改变后的外墙传热系数为 1.11 W/ (mK) , 满足农 村居住建筑节能设计标准和夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准中对外墙 热工性能的要求。 图3 12#农村建筑1 层平面图 下载原图 图4 12#农村建筑2 层平面图 下载原图 表5 墙体外保温构造 下载原表 通过改变外墙的热工性能, 在DesignBuilder 中对模型建筑进行模拟, 其中一 户的能耗结果如表 6所示。 表6 墙体热工性能优化前后建筑全年空调能耗 下载原表 由表6 可以看出, 由于重庆属于夏热冬冷地区, 夏季闷热, 冬季湿冷6, 夏季 供冷能耗为建筑的主要能耗, 所以建筑全年模拟供冷能耗明显高于
21、供热能耗。 墙 体通过设置外保温, 增强了围护结构的热工性能, 有效减缓了热流传递, 建筑 能耗随之降低, 建筑全年供热能耗降低幅度高于供冷能耗, 这是因为冬季建筑 物内外温差大于夏季, 所以减小外墙传热系数对冬季建筑节能的贡献要大于夏 季7。 全年空调能耗总体下降 666.4kWh, 节能率达到17.2%, 节能效果显著。 查询2016 年重庆市电价, 年用电量在2 4014 800kWh 以内时, 电价为 0.57 元/ (kWh) , 而DesignBuilder 模拟得到的空调能耗即为空调耗电量, 则每年 可节约运行费用379.8 元;外墙保温材料的投资增量为 1 948.8元, 投资
22、回收期 为5.1a 左右, 具有经济可行性。此外有文献表明, 采用外墙保温的建筑, 有利 于稳定室温, 改善间歇性供暖和空调的效果, 能降低夏热冬冷地区供暖及空调 的启动频率8。所以综合考虑节能与经济性, 建议重庆地区农村建筑可对外墙 采用外保温优化其热工性能, 满足标准的限值要求, 能够在一定程度上降低建 筑全年空调能耗, 提高室内舒适度。 2.3 外窗热工性能优化 建筑外窗由于薄壁轻质透明构件的特点, 使得夏季通过玻璃窗的太阳辐射得热 负荷占到室内空调负荷的 20%30%9。闫成文等人研究发现, 夏热冬冷地区外 窗传热系数降低至 3.2 W/ (mK) 时, 经济性与节能效果相对较好10。
23、因而, 本文选用双层中空玻璃结合塑钢窗框的形式, 优化农村建筑的外窗热工性能, 通过window7.4 窗户热工性能计算软件得到其传热系数为 3.2 W/ (mK) , 基 本满足标准中的限值要求。 通过提升外窗的热工性能, 在DesignBuilder 中对模型建筑进行模拟, 其中一 户的能耗结果如表 7所示。 表7 外窗热工性能优化前后建筑全年空调能耗 下载原表 由表7 可以看出, 提升窗户热工性能后, 建筑全年的空调能耗下降了 503.7kWh, 节能率达到了 13.0%, 节能效果相对较好。其中, 建筑全年供热能 耗明显减少, 但供冷能耗下降幅度并不显著。分析其原因:在夏季外温较高时,
24、 外窗较好的热工性能有利于隔绝室外的热量向室内传递, 起到隔热的作用;但在 夏季夜间或过渡季, 外温相对室温较低时, 双层玻璃反而不利于室内向室外传 热, 综合作用导致建筑全年供冷能耗降幅不大。 对外窗进行热工性能优化后, 每年可节约运行费用 287.1元, 双层中空玻璃与 塑钢窗框的投资增量为1 635.6元, 投资回收期在5.7a左右, 具有经济可行性。 所以综合考虑节能与经济性, 建议重庆地区农村建筑外窗采用双层中空玻璃加 塑钢窗框代替原有普通单层玻璃加铝合金窗框, 以此优化窗户的热工性能, 满 足标准要求, 在经济可行的情况下达到建筑节能的目的。 2.4 建筑外遮阳设计 良好的外遮阳设
25、计既能节能, 又能调节室内光线分布, 还可以丰富建筑立面;外 遮阳是夏季隔热最有效的措施, 它反射和吸收了大部分的太阳热能, 避免太阳 辐射热直接进入室内, 有利于防止室温升高和波动, 达到节能目的11。 由于调 研发现重庆地区农村建筑基本不采用建筑外遮阳, 因而本文对模型建筑设置遮 阳系数为0.60的水平遮阳, 对比分析外遮阳在农村建筑中的节能潜力与经济可 行性。 通过建筑外遮阳设计, 在DesignBuilder中对模型建筑进行模拟, 其中一户的 能耗结果如表8所示。 表8 采用外遮阳前后建筑全年空调能耗 下载原表 由表8 可以看出, 设置建筑外遮阳, 能使建筑全年的空调能耗总体下降 27
26、5.5kWh, 节能率达到 7.1%, 相比于前2 种节能措施, 节能效果不算显著。 其中, 建筑全年供冷能耗降幅较大, 但冬季供热能耗不降反升, 这是因为冬季 外遮阳减少了进入室内的太阳辐射热。 因此外遮阳的设置对建筑能耗的降低有一 定的作用, 但具体的遮阳形式及参数需要深入探讨及研究。 设置建筑外遮阳后, 每年可节约运行费用157 元, 由于外遮阳材料采用单价便 宜的塑料板, 投资增量为 278.4元, 投资回收期在 2a以内, 具有经济可行性。 所以综合考虑节能与经济性, 建议重庆地区农村建筑采取外遮阳, 推荐南向选 用水平遮阳, 东西向可考虑活动垂直式遮阳等多种形式, 北向可不考虑设置
27、遮 阳12。 2.5 屋顶保温设计 在常规的农村建筑中, 屋顶与外墙的面积之比约为 25%, 但对于顶层房间而言, 该比例可以达到40%左右, 因此屋顶的热工性能不仅直接影响顶层房间能耗, 而且对室内热环境也起到直接的作用。 调研发现新农村建筑的屋顶均做了保温, 热工性能满足 农村居住建筑节能设计 标准的要求;但农村自建建筑的屋顶均未做保温 (如表3所示) , 热工性能差, 传热系数高, 不满足标准要求。因而本文将模型建筑中的保温屋顶 (参照表3 中的做法) 修改为 20mm水泥砂浆+180mm钢筋混凝土+20mm水泥砂浆的无保温屋 顶, 传热系数由 0.94W/ (mK) 变为3.14 W/
28、 (mK) , 模拟分析屋顶保温对建 筑全年能耗的影响。 根据模拟结果发现, 屋顶有保温的建筑全年节能 3.4%, 其中顶层房间的全年节 能率达到26.3%, 夏季屋顶内表面日平均温度从 35.7降低到30.8, 降幅为 4.9。在经济性方面, 屋顶做保温的增量成本为 732元, 投资回收期为 7.6a。 综合来看, 虽然回收期较长, 但屋顶保温不仅有利于改善整体建筑的能耗水平, 还有利于营造顶层房间的热舒适环境, 所以建议农村建筑考虑采用屋顶保温设 计。 3 结论 1) 重庆地区农村建筑热工性能整体较差, 其中外窗大多采用普通单层玻璃加铝 合金窗框的形式, 建筑外墙基本未做保温, 并且二者的
29、热工性能都不满足 农村 居住建筑节能设计标准 和 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准 的限值要求。 此外, 农村建筑外遮阳应用很少, 且主要集中在南向。 2) 综合考虑节能与经济性, 建议重庆地区农村建筑可对外墙采取外保温措施, 优化其热工性能, 满足标准的限值要求。 推荐选用20 mm膨胀聚苯板外保温材料, 投资回收期在5a左右, 既能降低建筑全年空调能耗, 又能提高室内舒适度。 3) 由于外窗的传热损失是外墙的 2倍多, 建议重庆地区农村建筑外窗采用双层 中空玻璃加塑钢窗框代替原有普通单层玻璃加铝合金窗框, 提升外窗的热工性 能, 同时满足建筑的节能与经济性要求。 4) 重庆地区农村建筑应采
30、取外遮阳设计, 推荐南向选用水平遮阳, 东西向可考 虑活动垂直式遮阳等多种形式, 北向可不考虑遮阳。 5) 重庆地区农村建筑屋顶建议采用保温设计, 经济性较好, 且有利于改善整体 建筑与顶层房间的能耗水平及热环境。 参考文献 1清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告 2015M.北京: 中国建筑工业出版社, 2015:4-5 2邹瑜, 宋波, 刘晶.对国家标准农村居住建筑节能设计标准的解读J. 暖通空调, 2013, 43 (5) :77-81 3江亿.我国建筑耗能状况及有效的节能途径J.暖通空调, 2005, 35 (5) :30-40 4陆耀庆.实用供热空调设计手册M.2版
31、.北京:中国建筑工业出版社, 2008:1459-1486 5刘晓庆.间歇空调运行模式下住宅墙体热工性能研究D.重庆:重庆大学, 2011:123-124 6丁勇, 李百战, 罗庆, 等.重庆市自然资源在改善室内热湿环境中的作用J. 重庆大学学报 (自然科学版) , 2007, 30 (9) :127-133 7张旭, 李魁山.几个节能措施对夏热冬冷地区居住建筑能耗的敏感性分析J. 暖通空调, 2008, 38 (7) :10-14, 54 8成书珊, 陈晓明, 何韶瑶.夏热冬冷地区建筑外墙保温节能策略研究J.建 筑技术, 2014, 45 (8) :722-725 9丁勇, 连大旗, 李百战, 等.外窗内遮阳对室内环境影响的测试分析J.土 木建筑与环境工程, 2011, 33 (5) :108-113 10闫成文, 姚健, 周燕, 等.夏热冬冷地区外窗传热系数对建筑能耗的影响 J.重庆建筑大学学报, 2008, 30 (6) :120-123 11田慧峰, 孙大明, 朱慧宾.广州地区建筑外遮阳节能性能研究J.建筑节能, 2007, 35 (10) :27-30 12连大旗.重庆地区建筑水平外遮阳的效果和策略研究D.重庆:重庆大学, 2010:115-117
